考慮需求側(cè)響應(yīng)的分布式儲(chǔ)能資源管理及協(xié)同調(diào)控策略研究

孫家正，胡大偉，孫絲蘿，劉桁宇，王盼峰

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116000)

在新型電力系統(tǒng)背景下，電網(wǎng)及能源供應(yīng)發(fā)展呈現(xiàn)新能源接入比例大幅度提高、系統(tǒng)穩(wěn)定及可靠性變?nèi)?、安全特性?fù)雜、供需失衡及調(diào)峰能力不足等特點(diǎn)。為滿足未來源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)性加強(qiáng)、電力商業(yè)模式日漸成熟的需求，儲(chǔ)能資源將成為電力系統(tǒng)商業(yè)化、數(shù)字化、協(xié)同化的重要技術(shù)手段[1]。分布式儲(chǔ)能技術(shù)也將由傳統(tǒng)的集中調(diào)控轉(zhuǎn)向多主體、多向互動(dòng)模式，通過多主體參與、多設(shè)備協(xié)調(diào)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)在雙碳背景下電力系統(tǒng)新業(yè)態(tài)轉(zhuǎn)型、完善電力的社會(huì)屬性、增強(qiáng)電力的商品屬性、挖掘電力數(shù)據(jù)潛在價(jià)值、提升用戶用電滿意度、考慮需求側(cè)響應(yīng)實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置[2-3]。

面對(duì)大量新興負(fù)荷接入及新能源的快速增長，分布式儲(chǔ)能技術(shù)作為一種新興的技術(shù)手段，在延緩配電設(shè)備擴(kuò)容升級(jí)和改善電能質(zhì)量方面具備潛在的應(yīng)用價(jià)值。首先，儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器具備四象限運(yùn)行能力，可實(shí)現(xiàn)有功和無功的解耦控制，并根據(jù)需求側(cè)負(fù)荷變化，快速調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)出力，從而達(dá)到優(yōu)化潮流分布、改善臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量的目的。其次，儲(chǔ)能系統(tǒng)可發(fā)揮削峰填谷作用，降低配電及變電線路在高峰時(shí)段的負(fù)載率及安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，可發(fā)揮備用電源作用，減少臺(tái)區(qū)停電時(shí)間，提升臺(tái)區(qū)用電可靠性和供電服務(wù)能力。同時(shí)，基于其靈活特性，多點(diǎn)分散的臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能裝置可在高峰或尖峰負(fù)荷時(shí)段緩解負(fù)荷供入阻塞問題，延緩配網(wǎng)擴(kuò)容升級(jí)，提升電網(wǎng)投資經(jīng)濟(jì)性[4-5]。

針對(duì)以上場景及需求，本文提出一種考慮需求側(cè)響應(yīng)的分布式儲(chǔ)能資源管理及協(xié)同調(diào)控策略。首先，構(gòu)建考慮需求側(cè)響應(yīng)的分布式儲(chǔ)能資源調(diào)控模型，針對(duì)潮流模型的非凸性問題，提出混合整數(shù)二階錐規(guī)劃(mixed integer second order conic programming, MISOCP)求解模式。其次，在模型基礎(chǔ)上研究考慮儲(chǔ)能的人-機(jī)協(xié)同資源管理及交互協(xié)同調(diào)控策略。最后，提出基于分布式儲(chǔ)能的資源管理系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)方案。

1 分布式儲(chǔ)能充放電模型

分布式儲(chǔ)能因其靈活、具備毫秒級(jí)響應(yīng)能力的特性，是參與需求側(cè)響應(yīng)的絕佳資源，在分布式儲(chǔ)能參與需求側(cè)響應(yīng)的模型設(shè)計(jì)階段需要考慮儲(chǔ)能充放電過程及其容量約束[6]。

(1)

同時(shí)，在風(fēng)光資源波動(dòng)較大的情況下，需考慮儲(chǔ)能與棄風(fēng)棄光的平衡問題。在調(diào)控過程中可考慮切除小部分可中斷負(fù)荷以滿足系統(tǒng)平衡穩(wěn)定。

(2)

2 需求響應(yīng)模型構(gòu)建及求解

2.1 目標(biāo)函數(shù)

配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可表征為結(jié)構(gòu)G=(N,L)，其中N為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)集；L為支路集。節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的支路表示為ij。iij,t表示t時(shí)刻線路ij的電流；rij為線路ij的阻抗。根據(jù)儲(chǔ)能參與響應(yīng)場景及電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需求，考慮需求側(cè)響應(yīng)的儲(chǔ)能優(yōu)化目標(biāo)可包含網(wǎng)損小、可調(diào)控潛力大、響應(yīng)積極性高、負(fù)荷補(bǔ)償成本小、開關(guān)次數(shù)少等多目標(biāo)以適應(yīng)人機(jī)交互場景[7]。本文以基于分時(shí)電價(jià)的儲(chǔ)能用電成本最小化為目標(biāo)舉例，建立模型如下。

(3)

2.2 約束條件

為表征分布式儲(chǔ)能與負(fù)荷投入情況及供電線路路徑選擇，設(shè)置αij,t為t時(shí)刻母線j是否投入使用的二進(jìn)制變量；βij,t為t時(shí)刻線路ij的投入情況的二進(jìn)制變量。相關(guān)具體約束如下。

a.線路有功功率平衡約束

(4)

式中：v(j)為母線j的子母線集合；w(j)為母線j的父母線集合；Pij,t為t時(shí)刻線路ij的有功功率；PLj,t為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)無功負(fù)荷。

b.線路無功功率平衡約束

ΔQLj,t),?j∈NL,?t∈T

(5)

式中：Qij,t為t時(shí)刻線路ij的無功功率；xij為線路ij的阻抗；QLj,t為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)無功負(fù)荷。

c.電壓降等式約束

(6)

式中：uj,t為配電網(wǎng)t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)j的電壓。

d.視在功率等式約束

(7)

e.電壓安全運(yùn)行約束

umin≤uj,t≤umax,?j∈NL,?t∈T

(8)

式中：umax和umin分別為配電網(wǎng)安全電壓上下限。

f.線路傳輸容量約束

?t∈T

(9)

g.輻射網(wǎng)拓?fù)浼s束

(10)

2.3 求解方式

潮流模型的非凸性導(dǎo)致問題難以求解，本節(jié)提出利用松弛方式能夠?qū)⑴潆娋W(wǎng)潮流模型轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化模型[8]。

首先用變量替換，如式(11)、式(12)：

(11)

(12)

則得到潮流方程：

(PLj,t-ΔPLj,t)2+(QLj,t-ΔQLj,t)2=Iij,tUj,t,?t∈T

(13)

通過式(14)進(jìn)行松弛處理得到：

(PLj,t-ΔPLj,t)2+(QLj,t-ΔQLj,t)2≤Iij,tUj,t,?t∈T

(14)

采用二階錐形式表示如下：

(15)

求解域變換如圖1所示。將考慮用戶響應(yīng)的解空間策略投影至錐體上，將問題轉(zhuǎn)換為一個(gè)混合整數(shù)二階錐規(guī)劃，從而通過現(xiàn)有求解器(如CPLEX，GUROBI)，快速獲得全局最優(yōu)解。

3 資源管理及協(xié)同調(diào)控策略

在新型電力系統(tǒng)中，儲(chǔ)能將在電網(wǎng)調(diào)控及運(yùn)行中擔(dān)任重要角色，而隨著電子化與數(shù)字化電網(wǎng)趨勢發(fā)展，包含分布式儲(chǔ)能在內(nèi)的資源管理與協(xié)同調(diào)控也面臨新的方式。未來電網(wǎng)資源調(diào)控將呈現(xiàn)多元、智能、協(xié)同的趨勢。多元是指調(diào)控主體由過去的網(wǎng)側(cè)變?yōu)樵淳W(wǎng)荷儲(chǔ)均參與調(diào)控，用戶、儲(chǔ)能都會(huì)成為調(diào)控的重要主體；智能即智能電網(wǎng)發(fā)展趨勢，經(jīng)驗(yàn)與能力決策為主要方式的調(diào)控手段已被淘汰，智能算法與智能推薦技術(shù)的引進(jìn)，將極大提升調(diào)控精準(zhǔn)性與快速性；協(xié)同即為人-機(jī)協(xié)同，人既包含電力人員，也包括電力用戶，機(jī)器給出決策推薦與信息整合、調(diào)控人員決策、電力用戶給出響應(yīng)，加強(qiáng)互動(dòng)性，取長補(bǔ)短[9]。根據(jù)以上思路，資源管理及協(xié)同調(diào)控策略如圖2所示，主要分為如下幾個(gè)階段。

a.數(shù)據(jù)中臺(tái)獲取電網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)及用戶用電情況等信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，通過智能計(jì)算模塊發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)薄弱點(diǎn)及需要修正狀態(tài)偏離。

b.調(diào)控人員根據(jù)信息推薦，獲取經(jīng)驗(yàn)操作及相關(guān)調(diào)度規(guī)程，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)感知及狀態(tài)估計(jì)，并進(jìn)行虛擬操作的邏輯演繹，形成調(diào)控決策策略。

c.以分布式儲(chǔ)能等新能源以及用戶互動(dòng)結(jié)果為基礎(chǔ)，修正調(diào)控決策，可通過多級(jí)多輪次互動(dòng)形成精細(xì)化調(diào)控方案。

d.下達(dá)調(diào)控策略，反饋測算調(diào)控結(jié)果，記錄策略數(shù)據(jù)，形成智能決策方案，通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)等方式構(gòu)建決策智能體，為后續(xù)調(diào)控員物理-數(shù)據(jù)-知識(shí)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)決策奠定基礎(chǔ)。

調(diào)控員擅長創(chuàng)造和靈活運(yùn)用及判斷推理聯(lián)想工作，計(jì)算機(jī)擅長完成重復(fù)、程式化及計(jì)算演繹任務(wù)，人機(jī)決策需要結(jié)合場景變化，基于任務(wù)的屬性進(jìn)行人機(jī)功能的分配，綜合考慮效率、安全性、可靠性分階段完成符合邏輯的系統(tǒng)演進(jìn)和迭代，并給出有效決策。

4 分布式儲(chǔ)能資源管理系統(tǒng)研發(fā)

為所提控制策略提供有效驗(yàn)證途徑，本節(jié)提出基于分布式儲(chǔ)能的資源管理系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)方案。首先，基于Matlab環(huán)境構(gòu)建考慮需求側(cè)響應(yīng)的分布式儲(chǔ)能優(yōu)化模型，通過YALMIP編程實(shí)現(xiàn)。隨后，借助Gurobi 9.0求解，硬件為Intel ? Core i7，2.5 GHz，8.00 GB內(nèi)存。資源管理及協(xié)同調(diào)控策略交互采用Python標(biāo)準(zhǔn)GUI Tkinter進(jìn)行開發(fā)。在Matlab中編譯二階錐優(yōu)化程序，最后可通過python中Matlab.engine功能實(shí)現(xiàn)模型調(diào)用，并設(shè)置傳參接口。分布式儲(chǔ)能資源管理系統(tǒng)測試界面主要包括儲(chǔ)能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、輔助問答、策略推薦、用戶交互、策略存儲(chǔ)5個(gè)模塊。通過調(diào)控人員與用戶的協(xié)同運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能資源管理及靈活調(diào)控。

5 結(jié)語

本文通過分析分布式儲(chǔ)能在資源管理與調(diào)控協(xié)同方面的特性，構(gòu)建了考慮需求側(cè)響應(yīng)的分布式儲(chǔ)能優(yōu)化模型，采用二階錐松弛方式將配網(wǎng)潮流模型轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化模型，研究了基于人-機(jī)協(xié)同的資源管理及協(xié)同調(diào)控策略，并提出了分布式儲(chǔ)能資源管理系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)分布式儲(chǔ)能參與新型電力系統(tǒng)建設(shè)及協(xié)同控制提供參考。